計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)

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1、成績(jī)：　　 計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課 程 ： 計(jì)算機(jī)組成原理 姓 名 ： 姜香玉 專 業(yè) ： 網(wǎng)絡(luò)工程 學(xué) 號(hào) ： 132055215 日 期 ： 2015年12月 太原工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系 實(shí)驗(yàn)一：運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋emu8086＋proteus仿真器 實(shí)驗(yàn)日期 2015年.10 一．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 熟悉proteus仿真系統(tǒng) 2

2、. 設(shè)計(jì)并驗(yàn)證4位算數(shù)邏輯單元的功能 3. 實(shí)現(xiàn)輸入輸出鎖存 4. 實(shí)現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元 2． 理論分析或算法分析 實(shí)驗(yàn)原理： 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的核心是由 74LS181 構(gòu)成，它可以進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算，74LS181 的各種工作方式可通過設(shè)置其控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)正確設(shè)置74LS181的各個(gè)控制信號(hào)，74LS181 會(huì)運(yùn)算數(shù)據(jù)鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)鎖存器已經(jīng)把數(shù)據(jù)鎖存，只要 74LS181的控制信號(hào)不變，那么 74LS181 的輸出數(shù)據(jù)也不會(huì)發(fā)生改變。輸出緩沖器采用 74LS245，當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，74LS245導(dǎo)通，把74LS181 的運(yùn)算結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線，高電

3、平時(shí)，74LS245 的輸出為高阻。 實(shí)驗(yàn)中所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路如圖所示。 其中運(yùn)算器由兩片74LS181以并/串形式構(gòu)成8位字長(zhǎng)的ALU。 運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，運(yùn)算器的2個(gè)數(shù)據(jù)輸入端分別由二個(gè)鎖存器(74LS273)鎖存，鎖存器的輸入亦以8芯扁平線方式與數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)開關(guān)(INPUT DEVICE)用來給出參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，經(jīng)一三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)顯示燈(BUS UNIT)已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。 三．實(shí)現(xiàn)方法（含實(shí)現(xiàn)思路、程序流程圖、實(shí)驗(yàn)電路圖和源程序列表等）

4、 實(shí)現(xiàn)電路圖： 1.設(shè)計(jì)并驗(yàn)證4位算數(shù)邏輯單元的功能 2. 實(shí)現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元 四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗(yàn)證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗(yàn)證了基本要求,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)并驗(yàn)證4位算數(shù)邏輯單元、實(shí)現(xiàn)輸入輸出鎖存、實(shí)現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元的功能. 運(yùn)行結(jié)果：圖一 圖二： （2） 思考問題：?jiǎn)慰偩€，雙總線和三總線結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上的異同 答：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)：對(duì)這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器來說，在同一時(shí)間內(nèi)，只能有一個(gè)操作數(shù)放在單總線上。為了把兩個(gè)操作數(shù)輸入到ALU，需要分兩次來做，而且還需要A，B兩個(gè)緩沖寄存器。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是操作速度較慢。雖然在這

5、種結(jié)構(gòu)中輸入數(shù)據(jù)和操作結(jié)果需要三次串行的選通操作，但它并不會(huì)對(duì)每種指令都增加很多執(zhí)行時(shí)間。只有在對(duì)全都是CPU寄存器中的兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行操作時(shí)，單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器才會(huì)造成一定的時(shí)間損失。但是由于它只控制一條總線，故控制電路比較簡(jiǎn)單。 雙總線結(jié)構(gòu)：在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)操作數(shù)同時(shí)加到ALU進(jìn)行運(yùn)算，只需一次操作控制，而且馬上就可以得到運(yùn)算結(jié)果。兩條總線各自把其數(shù)據(jù)送至ALU的輸入端因而 必須在ALU輸出端設(shè)置緩沖寄存器。為此，操作的控制要分兩步完成：（1）在ALU的兩個(gè)輸入端輸入操作數(shù)，形成結(jié)果并送入緩沖寄存器；（2）把結(jié)果送入目的寄存器。 三總線結(jié)構(gòu)：在三總線結(jié)構(gòu)中，ALU的兩個(gè)輸入端分別由兩

6、條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連。這樣，算術(shù)邏輯操作就可以在一步的控制之內(nèi)完成。另外，設(shè)置了一個(gè)總線旁路器。如果一個(gè)操作數(shù)不需要修改，而直接從總線2傳送到總線3，那么可以通過控制總線旁路器把數(shù)據(jù)傳出；如需要修改，那么就借助于ALU。 五．結(jié)論 完成了本次實(shí)驗(yàn)要求的設(shè)計(jì)并驗(yàn)證4位算數(shù)邏輯單元、實(shí)現(xiàn)輸入輸出鎖存、實(shí)現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)會(huì)了如何使用proteus仿真系統(tǒng)，掌握了運(yùn)算器工作原理，熟悉了算術(shù)運(yùn)算的運(yùn)算過程以及控制這種運(yùn)算的方法。 實(shí)驗(yàn)二：寄存器實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋emu8086＋proteus仿真器

7、實(shí)驗(yàn)日期 2015.10 一．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 理解CPU運(yùn)算器中寄存器的作用 2. 設(shè)計(jì)并驗(yàn)證寄存器組（至少四個(gè)寄存器） 3. 實(shí)現(xiàn)更多的寄存器（至少8個(gè)） 2． 理論分析或算法分析 單元電路： 實(shí)驗(yàn)中所用的寄存器數(shù)據(jù)通路如圖所示。由74LS373組成寄存器組成。寄存器的輸入接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口，而寄存器的輸出接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口。經(jīng)CBA二進(jìn)制控制開關(guān)譯碼產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)，LDR0、LDR1、LDR2為數(shù)據(jù)寫入允許信號(hào)，由二進(jìn)制控制開關(guān)模擬，均為高電平有效。 三．實(shí)現(xiàn)方法（含實(shí)現(xiàn)思路、程序流程圖、實(shí)驗(yàn)電路圖和源程序列表等）

8、 實(shí)驗(yàn)電路： 1. 設(shè)計(jì)并驗(yàn)證寄存器組 2. 擴(kuò)展成四組（由于空間有限，只能實(shí)現(xiàn)兩組） 四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗(yàn)證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗(yàn)證了基本要求,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)并驗(yàn)證寄存器組（至少四個(gè)寄存器）、實(shí)現(xiàn)更多的寄存器（至少8個(gè)）的功能. 運(yùn)行結(jié)果：圖一 （二）思考問題：隨著寄存器的增多，電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度是什么比例增大 答：在電路設(shè)計(jì)中，隨著寄存器的增多，電路設(shè)計(jì)的復(fù)

9、雜程度是成倍增大的。 五．結(jié)論 完成了本次實(shí)驗(yàn)要求的設(shè)計(jì)并驗(yàn)證寄存器組（至少四個(gè)寄存器）、實(shí)現(xiàn)更多的寄存器（至少8個(gè)）的功能的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)會(huì)了如何擴(kuò)展多組寄存器以及寄存器的工作原理.明白了CPU運(yùn)算器中計(jì)算器的作用： （1） 可將寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)及邏輯運(yùn)算。 （2） 存于寄存器內(nèi)的地址可用來指向內(nèi)存的某個(gè)位置，即尋址。 （3） 可以用來讀寫數(shù)據(jù)到電腦的周邊設(shè)備。 實(shí)驗(yàn)三：輸入輸出實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 ISIS仿真軟件 實(shí)驗(yàn)日期 2015.11 實(shí)現(xiàn)方法： 實(shí)驗(yàn)（1） 實(shí)驗(yàn)（2）

10、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)四：微程序控制器實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PC機(jī)＋Win7＋proteus仿真器 實(shí)驗(yàn)日期 2015.12 一．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 基本要求： 1. 掌握微程序控制器工作原理 2設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)指令的微程序片段 二．理論分析或算法分析 程序查詢方式是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的I/O方式，通常接口中至少有兩個(gè)寄存器，一個(gè)是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與方式，通常接口中至少有兩個(gè)寄存器，一個(gè)是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與CPU進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個(gè)是供進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個(gè)是供CPU查詢的設(shè)備狀態(tài)寄存器，這個(gè)寄存器由多個(gè)標(biāo)志位組成，其中最重要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就

11、緒”標(biāo)志（輸入或輸出設(shè)備的準(zhǔn)備就緒標(biāo)志可以不是同一位）。當(dāng)要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志（輸入或輸出設(shè)備的準(zhǔn)備就緒標(biāo)志可以不是同一位）。當(dāng)CPU得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行I/O傳送。 三．實(shí)現(xiàn)方法（含實(shí)現(xiàn)思路、程序流程圖、實(shí)驗(yàn)電路圖和源程序列表等） 實(shí)驗(yàn)電路圖 將數(shù)據(jù)送入鎖存器: CPU從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)：

12、 準(zhǔn)備讀取下一個(gè)數(shù)據(jù)： 4． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗(yàn)證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） 過程分析： 在輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出一個(gè)選通信號(hào)KEY-BUS，將數(shù)據(jù)通過總線接收器74LS245送入總線，然后通過總線把數(shù)據(jù)傳送到鎖存器74LS373（圖中的U2），同時(shí)將D觸發(fā)器U3:B的Q輸出端置為1（即燈READ_NEXT亮），表示接口中已經(jīng)有數(shù)據(jù)（即準(zhǔn)備就緒）。CPU要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，先執(zhí)行輸入指令讀取狀態(tài)字，如READ_NEXT=1，再執(zhí)行輸入指令從鎖存器中讀取

13、數(shù)據(jù)，同時(shí)把DE_C2D置為1，表示可以準(zhǔn)備從外設(shè)接收下一個(gè)數(shù)據(jù)；如果READ_NEXT=0；則踏步等待，直至READ_NEXT=1為止。 五．結(jié)論 通過本次實(shí)驗(yàn)，我掌握了程序查詢的基本思想以及工作流程。通過仿真電路，雖然實(shí)驗(yàn)中遇到問題，但在老師和同學(xué)的幫助下，最終還是實(shí)現(xiàn)了程序查詢方式的輸入接口和輸出接口的工作流程仿真，完成了本次實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)五：微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋proteus仿真器 實(shí)驗(yàn)日期 2015.12 一．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 了解微程序執(zhí)行過程 2. 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程 3. 分析取指過程與微地址的關(guān)系

14、二、理論分析或算法分析 1、微程序的設(shè)計(jì) 理論分析或算法分析 ⑴ 微地址顯示燈顯示的是后續(xù)微地址，而26位顯示燈顯示的是當(dāng)前微單元的二進(jìn)制控制位。 ⑵ 微控制代碼輸出鎖存器273(0-2)、175及后續(xù)微地址輸出鎖存器M7~M2(74LS74)。 ⑶ CK0、CK1、CK2、CK3為微控制器微代碼鎖存輸出控制位。 ⑷ T2為后續(xù)微地址輸出鎖存控制位，在模型機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有效。 ⑸ 微控制程序存貯器(6116)片選端CS0、CS1、CS2、CS3受控于管理CPU(89C52)。 ⑹ 微控制程序存貯器(6116)讀、寫端OE、WE均受控于管理CPU(89C52)。 ⑺ SE5~SE0

15、是指令譯碼的輸入端，通過譯碼器確定相應(yīng)機(jī)器指令的微代碼入口地址。 ⑻ 4片245在CPU管理下產(chǎn)生裝載微代碼程序所需的四路8位數(shù)據(jù)總線及低5位地址線。 ⑼ 管理CPU(89C52)及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨧ACH128N是系統(tǒng)的指揮與控制中心。 這種方式的特點(diǎn)是微程序控制部件中的微地址中的微地址產(chǎn)生線路主要是微地址計(jì)數(shù)器MPC，MPC的初值由微程序首址形成線路根據(jù)指令操作碼編碼形成，在微程序執(zhí)行過程中該計(jì)數(shù)器增量計(jì)數(shù)，產(chǎn)生下一條微指令地址。這使得微指令格式中可以不設(shè)置“下地址場(chǎng)”，縮短了微指令長(zhǎng)度，也使微程序控制部件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。但微程序必須存放在控存若干連續(xù)單元中。 2） 斷定方

16、式微程序控制部件示意圖 微指令中設(shè)有“下地址場(chǎng)”，他指出下條微指令的地址，這使一條指令的微程序中的微指令在控存中不一定要連續(xù)存放。在微程序執(zhí)行過程中。微程序控制部件中的微地址形成電路直接接受微指令下地址場(chǎng)信息來產(chǎn)生下條微指令地址，微程序的首址也由此微地址形成線路根據(jù)指令操作碼產(chǎn)生 3、 實(shí)現(xiàn)方法（含實(shí)現(xiàn)思路、程序流程圖、實(shí)驗(yàn)電路圖和源程序列表等） 將全部微程序微指令格式變址的二進(jìn)制代碼表 四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗(yàn)證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗(yàn)證了基本要求,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程、分析取指過程與微地址的關(guān)系的功能. 五．結(jié)論 完成了本次實(shí)驗(yàn)要求的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程、分析取指過程與微地址的關(guān)系的內(nèi)容，并了解微程序執(zhí)行過程，微程序即實(shí)現(xiàn)程序的一種手段，具體就是將一條機(jī)器指令編寫成一段微程序。每一個(gè)微程序包含若干條微指令，每一條微指令對(duì)應(yīng)一條或多條微操作。在有微程序的系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部有一個(gè)控制存儲(chǔ)器,用于存放各種機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序段。當(dāng)CPU執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)，會(huì)在控制存儲(chǔ)器里尋找與該機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微程序，取出相應(yīng)的微指令來控制執(zhí)行各個(gè)微操作，從而完成該程序語句的功能。